Kako bi kvantna biologija mogla da objasni najveća životna pitanja?

Kako crvendać zna da leti na jug? Odgovor može biti čudniji nego što ste mislili: možda je kvantna fizika uključena. Džim Al-Kalili zaokružuje veoma novi, veoma neobični svet kvantne biologije, gde ono što je Ajnštajn jednom nazvao „sablasna radnja na daljinu” pomaže pticama da nađu put, a kvantni efekti bi mogli da objasne korene samog života.

Želeo bih da vas upoznam
sa jednim poljem nauke u nastajanju,

poljem koje je još uvek
u domenu nagađanja,

ali koje je veoma uzbudljivo

i koje se svakako brzo razvija.

Kvantna biologija postavlja
veoma jednostavno pitanje:

da li kvantna mehanika -

ta čudna i prelepa i moćna teorija

subatomskog sveta atoma i molekula

koja leži u osnovi
moderne fizike i hemije -

takođe igra ulogu u živim ćelijama?

Drugim rečima, da li postoje
procesi, mehanizmi, pojave

u živim organizmima
koji jedino mogu biti objašnjeni

uz pomoć kvantne mehanike?

Sad, kvantna biologija nije nova;

postoji od ranih 1930-ih godina.

Međutim, tek tokom poslednje decenije
pažljivi eksperimenti -

u biohemijskim laboratorijama
koristeći spektroskopiju -

pokazali su veoma jasne, čvrste dokaze
da postoje određeni specifični mehanizmi

kojima je potrebna
kvantna mehanika da ih objasni.

Kvantna biologija povezuje
kvantne fizičare, biohemičare

molekularne biologe -
to je veoma interdisciplinarno polje.

Ja se bavim kvantnom fizikom,
te sam nuklearni fizičar.

Proveo sam više od tri decenije

pokušavajući da razumem kvantnu mehaniku.

Jedan od osnivača kvantne mehanike,
Nils Bor, rekao je:

„Ako nisi zadivljen njome,
onda je ne razumeš."

Tako sam na neki način srećan
što sam još uvek zadivljen njome.

To je dobra stvar.

To znači da proučavam
najmanje strukture u univerzumu -

ono od čega je sagrađena realnost.

Ako razmišljamo o lestvici, veličini,

počnite od običnog predmeta
kao što je teniska loptica

i samo krenite naniže
ka manjim veličinama -

od iglenih ušiju do ćelije,
pa do bakterije, pa do enzima -

na kraju dolazite do nanosveta.

Sad, možda ste čuli za nanotehnologiju.

Nanometar je milijarditi deo metra.

Moja oblast je jezgro atoma,
koje je malecna tačka unutar atoma.

Čak je manja po veličini.

Ovo je oblast kvantne mehanike,

a fizičari i hemičari su imali
dosta vremena

da pokušaju da se naviknu na nju.

Biolozi, na drugoj strani,
lako su se izvukli, po mom mišljenju.

Oni su veoma srećni sa svojim modelima
molekula od lopti i štapova.

(Smeh)

Lopte su atomi,
a štapovi su veze između atoma.

Kada ne mogu da ih naprave fizički
u svojim laboratorijama,

sada imaju veoma moćne kompjutere

koji će simulirati veliki molekul.

Ovo je protein sastavljen
od 100 000 atoma.

Zapravo i nije potrebna kvantna mehanika
da bi bio objašnjen.

Kvantna mehanika je razvijena
1920-ih godina.

Ona je skup prelepih i moćnih
matematičkih pravila i ideja

koje objašnjavaju tako mali svet.

I to je svet koji se veoma razlikuje
od našeg svakodnevnog sveta,

sačinjenog od triliona atoma.

To je svet izgrađen
na mogućnosti i slučajnosti.

To je nejasan svet.

To je svet fantoma

u kome čestice mogu da se ponašaju
kao talas koji se širi.

Ako zamislimo kvantnu mehaniku
ili kvantnu fiziku

kao fundamentalnu osnovu same realnosti,

onda nije iznenađujuće što kažemo

da je kvantna fizika
u osnovi organske hemije.

Ipak nam ona pruža pravila
koja nam govore

kako se atomi spajaju
da bi napravili molekul.

Organska hemija, koja je složenija,

daje nam molekularnu biologiju,
koja naravno dovodi do samog života.

Tako, na neki način nije iznenađujuća.

Skoro da je obična.

Kažete: „Pa, naravno, život na kraju
mora da zavisi od kvantne mehanike",

ali mora i sve ostalo.

Mora i sva neživa materija
napravljena od triliona atoma.

Na kraju, postoji kvantni nivo

gde moramo da uronimo u ovu čudnovatost,

ali u svakodnevnom životu
možemo da zaboravimo na nju

zato što se,
kada jednom sastavite trilione atoma,

ta kvantna čudnovatost prosto rasprši.

Kvantna biologija nije o tome.

Kvantna biologija nije toliko očigledna.

Naravno, kvantna mehanika je
u osnovi života na molekularnom nivou.

Kvantna biologija bavi se
traženjem netrivijalnog -

neočekivanih ideja u kvantnoj mehanici -

i proverom da li one stvarno
igraju bitnu ulogu

u opisivanju životnih procesa.

Ovo je moj savršeni primer
neočekivanosti kvantnog sveta.

Ovo je kvantni skijaš.

Izgleda kao da je netaknut,
izgleda kao da je savršeno zdrav,

pa ipak, izgleda kao da je skijao
sa obe strane drveta istovremeno.

Pa, ako biste videli takve tragove

pretpostavili biste da se radi
o nekakvoj akrobaciji, naravno,

ali u kvantnom svetu
ovo se stalno dešava.

Čestice mogu da multitaskuju,
mogu da budu na dva mesta istovremeno.

One mogu da rade
više od jedne stvari istovremeno.

Čestice mogu da se ponašaju
kao talasi koji se šire.

To je skoro kao magija.

Skoro vek fizičari i hemičari

pokušavali su da se naviknu
na ovu čudnovatost.

Ne krivim biologe

što nisu morali ili želeli
da nauče kvantnu mehaniku.

Vidite, ova čudnovatost
veoma je delikatna,

a mi, fizičari, radimo veoma naporno
da bismo je održali

u svojim laboratorijama.

Hladimo naš sistem
skoro do apsolutne nule,

vršimo eksperimente u vakuumima

i pokušavamo da je izolujemo
od bilo kakvih spoljašnjih smetnji.

To se veoma razlikuje od toplog,
zbrkanog, bučnog ambijenta žive ćelije.

Biologija sama po sebi,
ako mislite na molekularnu biologiju,

čini se da je dosta dobro opisala
sve životne procese

u kontekstu hemije - hemijskih reakcija

i ovu su redukcionističke,
determinističke hemijske reakcije,

koje pokazuju da je u suštini život
sačinjen od istih stvari kao i sve ostalo

i ako možemo da zaboravimo
na kvantnu mehaniku u makrosvetu,

onda bi trebalo da možemo
da zaboravimo na nju u biologiji takođe.

Pa, jedan čovek se nije slagao
sa ovom idejom.

Ervin Šredinger,
iz poznate Šredingerove mačke,

bio je austrijski fizičar.

Bio je jedan od osnivača
kvantne mehanike 1920-ih.

Godine 1944. napisao je knjigu
„Šta je život?”.

Bila je neverovatno uticajna.

Uticala je na Fransisa Krika
i Džejmsa Votsona,

koji su otkrili
dvostruko spiralnu strukturu DNK.

Da parafraziram opis u knjizi,

on kaže da na molekularnom nivou,
živi organizmi imaju određeni red,

strukturu koja je veoma različita

od nasumičnog termodinamičnog guranja
između atoma i molekula

u neživoj materiji iste složenosti.

Zapravo, čini se da se živa materija
ponaša u ovom redu, strukturi,

kao neživa materija koja je ohlađena
do skoro apsolutne nule,

gde kvantni efekti
igraju veoma bitnu ulogu.

Postoji nešto posebno
u vezi sa ovom strukturom - redom -

u živoj ćeliji,

te je Šredinger spekulisao da možda
kvantna mehanika igra neku ulogu u životu.

To je veoma spekulativna, raširena ideja

i nije zapravo daleko odmakla.

Međutim, kao što sam pomenuo na početku,

u poslednjih 10 godina
pojavljuju se eksperimenti

koji pokazuju
da određene pojave u biologiji

izgleda zahtevaju kvantnu mehaniku.

Želim da podelim sa vama
samo nekoliko uzbudljivih.

Ovo je jedna od najpoznatijih pojava
u kvantnom svetu,

kvantno tunelovanje.

Kutija levo pokazuje
talasastu, šireću distribuciju

kvantnog entiteta -
čestice poput elektrona,

koji nije loptica koja odskače od zida.

To je talas za koji postoji
određena verovatnoća

da može da prodre kroz čvrsti zid

kao fantom koji iskače na drugoj strani.

Možete videti bledu svetlosnu mrlju
u kutiji na desnoj strani.

Kvantno tunelovanje sugeriše da čestica
može udariti u neprobojnu prepreku

i ipak nekako, kao magijom,

iščeznuti na jednoj strani
i pojaviti se na drugoj.

Najbolji način da se to objasni
je ako hoćete da bacite loptu preko zida,

morate da joj date dovoljno energije
da pređe preko vrha zida.

U kvantnom svetu
ne morate da je bacate preko zida;

možete da je bacite ka zidu

i postoji određena verovatnoća
veća od nule

da će nestati s vaše strane
i pojaviti se na suprotnoj strani.

Ovo inače nije spekulacija.

Mi smo srećni -
pa, „srećni” i nije prava reč -

(Smeh)

mi smo upoznati sa ovim.

(Smeh)

Kvantno tunelovanje se dešava stalno;

zapravo, ono je razlog što Sunce sija.

Čestice se združuju

i Sunce pretvara vodonik u helijum
preko kvantnog tunelovanja.

Tokom '70-ih i '80-ih otkriveno je
da se kvantno tunelovanje takođe dešava

unutar živih ćelija.

Enzimi, ovi pokretači života,
katalizatori hemijskih reakcija -

enzimi su biomolekuli koji ubrzavaju
hemijske reakcije u živim ćelijama

mnogo, mnogo desetina puta

i uvek je bila misterija kako ovo čine.

Pa, otkriveno je

da jedan od trikova koji enzimi koriste
pošto su evoluirali

jeste transfer subatomskih čestica
poput elektrona i protona

sa jednog kraja molekula na drugi,
putem kvantnog tunelovanja.

To je efikasno, brzo, može nestati -

proton može nestati s jednog mesta
i pojaviti se na drugom mestu.

Enzimi pomažu da se ovo desi.

Ovo je istraživanje koje je vršeno '80-ih

posebno od strane grupe na Berkliju,
Džudit Klinman.

Druge grupe u Ujedinjenom Kraljevstvu
takođe su sad potvrdile

da enzimi stvarno ovo rade.

Istraživanje koje je sprovela moja grupa -

kao što sam pomenuo,
ja sam nuklearni fizičar,

ali sam shvatio da posedujem
alate za upotrebu kvantne mehanike

u atomskom jezgru i zato mogu da primenim
te alate takođe u drugim oblastima.

Jedno pitanje koje smo postavili

jeste da li kvantno tunelovanje
igra ulogu u mutaciji DNK.

Opet, ovo nije nova ideja;
postoji od ranih '60-ih.

Dve niti DNK, dvospiralna struktura,

spojene su prečagama,
kao uvrnute merdevine

i te prečage merdevina
jesu vodonične veze -

protoni koji se ponašaju kao lepak
između dve niti.

Dakle, ako uveličate,
oni drže te velike molekule -

nukleotide - zajedno.

Uveličajte još malo.

Dakle, ovo je kompjuterska simulacija.

Dve bele lopte u sredini su protoni

i možete videti da je to
dupla vodonična veza.

Jedan više voli da sedi na jednoj strani,
drugi na drugoj strani dveju niti,

na dve vertikalne linije
koje se spuštaju nadole

koje ne možete videti.

Može se desiti da ova dva protona
mogu da preskoče preko.

Gledajte ove dve bele lopte.

Mogu da preskoče na drugu stranu.

Ako se dve niti DNK razdvoje
dovodeći do procesa replikacije,

a dva protona su na pogrešnim mestima,

ovo može da dovede do mutacije.

Ovo je poznato poslednjih 50 godina.

Pitanje je - koliko je verovatno
da oni to učine

i, ako učine, kako to rade?

Da li preskaču kao lopta
koja ide preko zida

ili prelaze preko
putem kvantnog tunelovanja,

čak i ako nemaju dovoljno energije?

Početne naznake sugerišu
da kvantno tunelovanje ovde igra ulogu.

Još uvek ne znamo koliko je bitno;

to je još uvek otvoreno pitanje.

U domenu je nagađanja,

ali je jedno od onih pitanja
koje je toliko bitno,

ako kvantna mehanika
igra ulogu u mutacijama,

svakako ovo mora imati
bitne implikacije

za razumevanje određenih tipova mutacija,

moguće čak i onih koji dovode
do pretvaranja ćelija u kancerogene.

Drugi primer kvantne mehanike
u biologiji je kvantna koherencij

u jednom od najvažnijih procesa
u biologiji, fotosintezi -

biljke i bakterije uzimaju
Sunčevu svetlost

i koriste tu energiju
za stvaranje biomase.

Kvantna koherencija je ideja
da kvantni entiteti rade

više poslova istovremeno.

To je kvantni skijaš.

To je objekat koji se ponaša kao talas,

tako da se ne kreće
samo u jednom ili drugom pravcu,

već može da prati
više putanja istovremeno.

Pre nekoliko godina
svet nauke je bio šokiran

kada je objavljen rad
koji pokazuje eksperimentalne dokaze

da se kvantna koherencija
odigrava unutar bakterija,

vršeći fotosintezu.

Ideja je da foton, čestica svetlosti,
Sunčeve svetlosti,

kvantum svetlosti
koga je uhvatio molekul hlorofila

biva predat onome
što se zove reakcioni centar,

gde može biti pretvoren
u hemijsku energiju.

I dolazeći tamo,
ne prati samo jednu putanju;

prati više putanja istovremeno

da bi na najefikasniji način
stigao do reakcionog centra

bez da nestane kao toplota
koja je nus-proizvod.

Kvantna koherencija se dešava
unutar živih ćelija.

Izuzetna ideja,

pa ipak dokazi narastaju skoro nedeljno
sa novim radovima koji se pojavljuju,

potvrđujući da se ovo zaista odigrava.

Moj treći i poslednji primer
jeste najlepša, najdivnija ideja.

Takođe je još uvek u domenu nagađanja,
ali moram da je podelim sa vama.

Evropski crvendaći migriraju

iz Skandinavije do Mediterana svake jeseni

i kao dosta drugih morskih životinja,
čak i insekata

nalaze put osećajući
Zemljino magnetno polje.

Sad, Zemljino magnetno polje
je veoma, veoma slabo;

ono je sto puta slabije
od magneta frižidera,

pa ipak utiče na hemiju -
nekako - unutar živih organizama.

Ovo ne podleže sumnji -
nemački par orintologa,

Volfgan i Rosvita Vilčko,
1970-ih potvrdili su

da crvendać zaista nalazi svoj put
osećajući nekako Zemljino magnetno polje

koje pruža informacije o pravcu,
ugrađeni kompas.

Zagonetka, misterija je - kako to radi?

Pa, jedina postojeća teorija -

ne znamo da li je ispravna,
ali je jedina postojeća teorija -

jeste da to čini putem nečega
što se zove kvantno uplitanje.

Unutar crvendaćeve mrežnjače -

ne šalim se - u crvendaćevoj mrežnjači
je protein nazvan kriptohrom,

koji je osetljiv na svetlost.

Sa kriptohromom par elektrona
je kvantno isprepletan.

Sad, kvantno uplitanje
je kada su dve čestice razdvojene,

a ipak nekako ostaju
u kontaktu jedna sa drugom.

Čak je i Anštajn mrzeo ovu ideju;

nazvao ju je
„sablasna radnja na distanci.”

(Smeh)

Dakle, ako je Anštajn ne voli,
onda kod svih nas može stvarati nelagodu.

Dva kvantno isprepletana elektrona
unutar jednog molekula

plešu delikatnim plesom

koji je osetljiv na pravac
kojim ptice lete

u Zemljinom magnetnom polju.

Ne znamo da li je ovo
ispravno objašnjenje,

ali opa, zar ne bi bilo uzbudljivo
kada bi kvantna mehanika

pomagala pticama da nađu put?

Kvantna biologija je još uvek
u fazi razvoja.

Još uvek je u domenu nagađanja,

ali verujem da je izgrađena
na jakoj nauci.

Takođe mislim da ćemo
u decenijama koje dolaze

početi da uviđamo
da zapravo prožima život -

da život ima razvijene trikove
koji koriste kvantni svet.

Posmatrajte ovaj prostor.

Hvala vam.

(Aplauz)